第2章 燃燒及大氣污染-1

第2章燃燒與大氣污染(1)教學(xué)內(nèi)容§1燃料的性質(zhì)

§2燃料燃燒過(guò)程

§3煙氣體積及污染物排放計(jì)算

§4燃燒過(guò)程中硫氧化物的形成

§5燃燒過(guò)程中顆粒物的形成

§6燃燒過(guò)程中其他污染物的形成

11.教學(xué)要求了解常見(jiàn)民用及工業(yè)燃料的組成和性質(zhì)；

掌握氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料的燃燒過(guò)程，學(xué)會(huì)分析影響燃燒過(guò)程的因素；

學(xué)會(huì)計(jì)算燃燒過(guò)程產(chǎn)生的煙氣量和污染物濃度；

掌握顆粒物、硫氧化物和氮氧化物的產(chǎn)生機(jī)理，理解通過(guò)改變?nèi)紵龡l件減少污染物生成的途徑2、教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)理解燃燒的基本原理和相關(guān)污染物形成機(jī)理，重點(diǎn)掌握燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算。3、教學(xué)難點(diǎn)

燃燒過(guò)程污染物排放計(jì)算。建議學(xué)時(shí)數(shù)：4學(xué)時(shí)2

焚燒秸稈

34300MW、600MW"W"形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐5300MW、600MW“W”形火焰燃低揮發(fā)份無(wú)煙煤鍋爐

該鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)：分級(jí)送風(fēng)的雙拱爐膛；旋風(fēng)分離式煤粉濃縮型燃燒器；雙進(jìn)雙出球磨機(jī)正壓直吹式燃燒系統(tǒng)。

6

600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐

600MW亞臨界自然循環(huán)前后墻對(duì)沖燃燒中間再熱鍋爐

7600MW及以上超臨界本生直流機(jī)組鍋爐

89§1燃料的性質(zhì)燃料的分類(lèi)按獲得方法分

按物態(tài)分

天然燃料人工燃料固體燃料木柴、煤、油頁(yè)巖

木炭、焦炭、煤粉等

液體燃料

石油

汽油、煤油、柴油、重油

氣體燃料

天然氣

高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、焦?fàn)t煤氣

燃料的定義：指燃燒過(guò)程中能放出熱量，且經(jīng)濟(jì)上可行的物質(zhì)10§1燃料的性質(zhì)一、煤煤定義：是一種復(fù)雜的物質(zhì)聚集體。主要可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一起構(gòu)成的有機(jī)聚合物。

性質(zhì)：煤中有機(jī)成分和無(wú)機(jī)成分的含量因種類(lèi)、產(chǎn)地不同而異。111213§1燃料的性質(zhì)1.煤的分類(lèi)：按基于沉積年代的分類(lèi)法分為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。（1）褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等級(jí)最低的一類(lèi)，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色，象木材結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：①揮發(fā)分較高，析出溫度低；②燃燒熱值低，不能制炭。干燥后：C含量60—75%，O2含量20—25%。14§1燃料的性質(zhì)（2）煙煤：形成歷史較褐煤長(zhǎng)。黑色，外形有可見(jiàn)條紋。揮發(fā)分20—45%，C75—90%。成焦性較強(qiáng)，氧含量低，水分及灰分含量不高，適宜工業(yè)使用。（3）無(wú)煙煤：碳含量最高，煤化時(shí)間最長(zhǎng)的煤，具有明顯的黑色光澤，機(jī)械強(qiáng)度高。C含量>93%,無(wú)機(jī)物量<10%,著火難，不易自燃，成焦性差。152.

燃料組成對(duì)燃燒的影響碳：可燃元素。1kg純碳完全燃燒時(shí)，放出7850kcal的熱量。當(dāng)不完全燃燒生成CO時(shí)，放出2214kcal的熱量。純碳起燃溫度很高，燃燒緩慢，火焰也短。煤中的碳不是單質(zhì)狀態(tài)存在，而是與氫、氮、硫等組成有機(jī)化合物。煤形成的地質(zhì)年代越長(zhǎng)，其揮發(fā)性成分含量越少，而含碳量則相對(duì)增加。例如，無(wú)煙煤含碳量約90-98%，一般煤的含碳量約50-95%。氫：是燃料中發(fā)熱量最高的元素。固體燃料中氫的含量為2-10%，以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢?kg氫完全燃燒時(shí)能放出28780kcal的熱量。

162.

燃料組成對(duì)燃燒的影響氧：氧在燃料中與碳和氫生成化合物，降低了燃料的發(fā)熱量氮：燃料中含氮量很少，一般為0.5-1.5%硫：以三種形態(tài)存在：有機(jī)硫、硫化鐵硫和硫酸鹽硫。前兩種能放出熱量，稱(chēng)之為揮發(fā)硫。硫燃燒生成產(chǎn)物為SO2和SO3，其中SO2占95%以上。172.

燃料組成對(duì)燃燒的影響水分：水分的存在使燃料中可燃成分相對(duì)地減少。煤中水分由表面水分（外部水分）和吸附水分（內(nèi)部水分）組成。外部水分可以靠自然干燥方法除去。內(nèi)部水分要放在干燥箱中加熱到102-105C，保持2h后才能除掉?；曳郑菏侨剂现胁豢扇嫉V物質(zhì)，為燃料中有害成分。18

3.煤的成分分析

工業(yè)分析（proximateanalysis）

測(cè)定煤中水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳。估測(cè)硫含量和熱量，是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)。

√元素分析（ultimateanalysis）

用化學(xué)分析的方法測(cè)定去掉外部水分的煤中主要組分碳、氫、氮、硫和氧的含量。19（1）煤的工業(yè)分析

水分：一定重量13mm以下粒度的煤樣，在干燥箱內(nèi)318-323K溫度下干燥8小時(shí)，取出冷卻，稱(chēng)重

外部水分將失去外部水分的煤樣保持在375-380K下，約2h后，稱(chēng)重

內(nèi)部水分外部水分＋內(nèi)部水分=煤所含的全水分。煤所含水分使熱值降低，影響燃燒穩(wěn)定，一般控制煤中水分在10%～13%。揮發(fā)分：失去水分的試樣密封在坩堝內(nèi)，放在1200K的馬弗爐中加熱7分鐘，放入干燥箱中冷卻至常溫再稱(chēng)重

。20（1）煤的工業(yè)分析√固定碳從煤中扣除水分、灰分以及揮發(fā)分后剩余的部分為固定碳，是煤的主要可燃物質(zhì)。失去水分和揮發(fā)分后的剩余部分（焦炭）放在80020C的環(huán)境中灼燒到重量不在變化時(shí)，取出冷卻。焦炭所失去的重量為固定碳。√灰分：灰分是煤中不可燃礦物物質(zhì)的總稱(chēng)。高灰分、低熔點(diǎn)的煤極易結(jié)渣，從爾影響熱效率。21（1）煤的工業(yè)分析煤中灰分的組成：我國(guó)煤炭的平均灰分含量為25％灰分的存在降低了煤的熱值，也增加了煙塵污染和出渣量22

（2）煤的元素分析

碳和氫：通過(guò)燃燒后分析尾氣中CO2和H2O的生成量測(cè)定氮：在催化劑作用下使煤中的氮轉(zhuǎn)化為氨，堿液吸收，滴定硫：與氧化鎂和無(wú)水硫酸鈉混合物反應(yīng)，SSO42-，滴定23

（3）煤中硫的形態(tài)

24（3）煤中硫的形態(tài)a.硫化鐵硫：是主要的含硫成分，常見(jiàn)形態(tài)是黃鐵礦硫。黃鐵礦：硬度6—6.5,比重4.7—5.2本無(wú)磁性，但在強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)下能轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判晕?，吸收微波能力較強(qiáng)，據(jù)此，可把其從煤中脫除。b.硫酸鹽硫:硫酸鹽硫在燃燒時(shí)不參加燃燒，留在灰渣里，是灰分的一部分，其它形態(tài)的硫能燃燒放出熱量。通常所說(shuō)的SOx污染物只包括有機(jī)硫、硫化物，不包括MeSO4。c.有機(jī)硫：以各種官能團(tuán)形式存在。如噻吩、芳香基硫化物、硫醇等。不易用重力分選的方法除去，需采用化學(xué)方法脫硫。25（4）煤的成分的表示方法要確切說(shuō)明煤的特性，必須同時(shí)指明百分比的基準(zhǔn)，常用的基準(zhǔn)有以下四種：√收到基：鍋爐爐前使用的燃料，包括全部灰分和水分

空氣干燥基：以去掉外部水分的燃料作為100%的成分，即在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行燃料分析時(shí)的試樣成分

26（4）煤的成分的表示方法干燥基：以去掉全部水分的燃料作為100%的成分，干燥基更能反映出灰分的多少干燥無(wú)灰基：以去掉水分和灰分的燃料作為100%的成分27（4）煤的成分的表示方法煤的成分的表示方法及其組成的相互關(guān)系

28（4）煤的成分的表示方法我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果

29（4）煤的成分的表示方法我國(guó)部分煤種的分析結(jié)果(續(xù)）

30二、石油

液體燃料的主要來(lái)源鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等多種化合物組成的混合物主要含碳和氫，還有少量硫、氮和氧氫含量增加時(shí)，比重減少，發(fā)熱量增加31二、石油石油是液體燃料的主要來(lái)源。原油是天然存在的易流動(dòng)液體。比重0.78—1.00

主要含C、H2、少量的S、N2、O2，此外，含有微量金屬（釩、鎳）、砷、鉛、氯等，10ppm左右。原油中的硫大部分以有機(jī)硫形式存在，形成非碳?xì)浠衔锏木薮蠓肿訄F(tuán)，其含硫量變化范圍較大，一般為0.1—7%。原油通過(guò)蒸餾、裂化和重整過(guò)程生產(chǎn)出各種產(chǎn)品。原油中的S約有80—90%留于重餾分中。硫以復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在，而需去除的僅是硫原子，故不能用物理方法分離硫化物。采用高壓下的催化加氫破壞C—S—C鍵形成H2S氣體，可達(dá)目的，但費(fèi)用很高。32三、天然氣典型的氣體燃料一般組成為CH485%,乙烷10%，丙烷3%，此外還有H2O、CO2、N2、He、H2S等。天然氣中的H2S具有腐蝕性，它的燃燒產(chǎn)物為硫的氧化物，因此許多國(guó)家規(guī)定了天然氣中總硫和H2S含量的最大允許子值。33四、燃料組成的表示方法:CxHySzOwNvSample:C:77.2%,H:5.2%,N:1.2%,S:2.6%,O:5.9%andash:7.9%byweight.Determinethenormalizedmolarcomposition.ElementWt%mol/100gmol/molC77.212=6.436.43=1.00H5.201=5.206.43=0.808N1.2014=0.08576.43=0.013S2.6032=0.08126.43=0.013O5.9016=0.3696.43=0.057ash7.96.43=1.23g/molCThenormalizedmolarcomposition:CH0.808N0.013S0.013O0.057

34五、燃料的最重要的兩個(gè)屬性熱值決定燃料的消耗量雜質(zhì)污染物產(chǎn)生的來(lái)源35

六、其他燃料

非常規(guī)燃料城市固體廢棄物商業(yè)和工業(yè)固體廢棄物農(nóng)產(chǎn)物和農(nóng)村廢物水生植物和水生廢物污泥處理廠廢物可燃性工業(yè)和采礦廢物天然存在的含碳和含碳?xì)涞馁Y源合成燃料

非常規(guī)燃料通常需要專(zhuān)門(mén)技術(shù)轉(zhuǎn)化為易于利用的形式城市固體廢物用作燃料必須考慮其大氣污染問(wèn)題36§2燃料燃燒過(guò)程

一.影響燃燒過(guò)程的主要因素1.燃燒過(guò)程及燃燒產(chǎn)物完全燃燒：CO2、H2O不完全燃燒：CO2、H2O&CO、黑煙及其他部分氧化產(chǎn)物如果燃料中含有S和N，則會(huì)生成SO2和NO空氣中的部分N可能被氧化成NO－熱力型NOx37一.影響燃燒過(guò)程的主要因素2.燃料完全燃燒的條件（3T1E）空氣條件：提供充足的空氣；但是空氣量過(guò)大，會(huì)降低爐溫，增加熱損失溫度條件（Temperature）：達(dá)到燃料的著火溫度時(shí)間條件（Time）：燃料在高溫區(qū)停留時(shí)間應(yīng)超過(guò)燃料燃燒所需時(shí)間燃料與空氣的混合條件（Turbulence）：燃料與氧充分混合38一.影響燃燒過(guò)程的主要因素典型燃料的著火溫度39二.燃料燃燒的理論空氣量1.理論空氣量建立燃燒方程式的假定：空氣組成

20.9%O2和79.1%N2，兩者體積比為：N2/O2=3.78燃料中固定氧可用于燃燒燃料中硫主要被氧化為SO2不考慮NOX的生成燃料中的N在燃燒時(shí)轉(zhuǎn)化為N2燃料的化學(xué)方程式為CxHySzOw40

二.燃料燃燒的理論空氣量燃燒方程式：燃料重量

=12x+1.008y+32z+16w煤

4-7m3/kg，液體燃料10-11m3/kg

41二.燃料燃燒的理論空氣量理論空氣量:42

二.燃料燃燒的理論空氣量例題：43二.燃料燃燒的理論空氣量2.空氣過(guò)剩系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量之比。以表示，通常>1部分爐型的空氣過(guò)剩系數(shù)44二.燃料燃燒的理論空氣量3．空燃比（AF）定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量燃料燃燒所需的空氣質(zhì)量，它可由燃燒方程直接求得。例如，甲烷在理想空氣量下的完全燃燒：CH4＋2O2＋7.56N2→CO2＋7.56N2空燃比：AF=2×32＋7.56×28/1×16=17.2汽油（～C8H18）的理論空燃比為15純碳的理論空燃比約為11.545二.燃料燃燒的理論空氣量例：某燃燒裝置采用重油作燃料，重油成分分析結(jié)果如下（按質(zhì)量）C：88.3%，H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。試確定燃燒1kg重油所需的理論空氣量。解：以1kg重油燃燒為基礎(chǔ)，則：46

重量（g）摩爾數(shù)（mol）需氧量（mol）C88373．5873．58H9547．523．75S160．50．5H2O0．50．02780二.燃料燃燒的理論空氣量47理論需氧量為：73.58+23.75+0.5=97.83mol/kg重油假定空氣中N2與O2的摩爾比為3.76(體積比)則，理論空氣量為：